数字化波形发生器的工作原理及组成设计(2)
2 数控波形发生器的结构组成及工作原理
数字化波形发生器主要由主控制器单片机 89c52、键盘与显示电路、波形发生器 max038、 12 位 4 路数模转换器 max526、频段控制单元、幅值控制单元等单元电 路 组 成 。 单 片 机 主 要 完 成 对 键 盘 输 入 的 检 测 、对max038 输出波形的选择、 对 d/a 输出控制, 从而完成对频率和占空比的调节及对频段的选择; 键盘采用 4× 5的矩阵键盘, 分别设置了数字键( 0~9) 和功能键( 小数点 .、 频段、 频率、 占空比、 幅值、 正弦波、 方波、 三角波、取消等) 共 19 个键。使用时先按功能键后按数字键; 显示部分采用 lcd 显示频率(6 位)和幅值(4 位); max038函数发生器芯片是系统的核心部分, 在单片机的控制下输出正弦波、 三角波、 矩形波, 且波形的频率和占空比易于调节; 12 位 4 路输出的数模转换器 max526 在单片机的控制下, 输出 2~750μ a 的电流及± 2.4v 和± 2.3v 的电压, 分别进行频率、 占空比的调节; 频段选择单元采用 8选 1 的多路模拟开关 ad7501, 在单片机的控制下使每一路分时选通, 将不同的电容值 cf 接入 max038 电路中, 就可确定输出频率范围, 即频段, 共有 6 个频段供选择切换, 输出波形频率范围与 cf 的关系如表 1 所示。幅度控制单元主要调节输出信号的幅度, max038 输出端out 的 vp - p =2v 幅度值通过放大器放大后送入数字衰减器 at- 280 中进行衰减, 调整放大后的输出幅度。键盘输入与显示、 频段选择及数控调节电路原理图如图 2所示。
2 .1 4 路 12 位电压输出型 d/a 转换器 max526 的应用max526 是 4 路 12 位电压输出型 d/a 转换器, 模拟量电压输出为: vout=( vref× dn ) /4096。8 位数据总线, 数据通过两次写操作( 低 8 位 lsb, 高 4 位 msb) 装入各输入寄存器, 并通过异步装载 dac 输入信号将输入寄存器数据装入 dac 寄存器。max526 转换时间为 3μ s , 与ttl/cmos 电平兼容, 只有 1lsb 不可校正线性误差的优点, 使其广泛地应用在数字增益校正、 工业控制、 自动测试设备等方面。
max526 的 vouta、voutb、 voutc、 voutd 是 4 通道模拟量输出引脚; 控制信号 csmsb、 cslsb 为高低字节位选择, 当 cslsb 为 0 时低 8 位数据输出, csmsb 为 0 时高4 位数据输出。控制信号 ldac 为 0 时将各自输入寄存器的内容转换到其各自独立的 dac 寄存器。控制信号a0、 a1 为 通 道 选 择 信 号 ; 数 据 线 d0 ~d7, d8 ~d11 与d0~d3 复用; wr 为写控制信号; 基准电源信号 refab是 a、 b 模拟量基准输入, refcd 是 c、 d 模拟量基准输入。max526 通过 a0、 a1 选择 dac 以便区分访问的是哪个通道, 通过 csmsb、 cslsb、 wr 这 3 个信号区分将转换数据装入到 a0、 a1 已选择的各个输入寄存器的内容, 并区分写入的数据是高 4 位还是低 8 位。max526编程设计时通过 ldac 控制各个通道 dac 寄存器的转换实现。在接口电路中, 将 ldac 与单片机的 p17 相连,以便查询其工作状态。另外, max6325 是一个电压基准信号源, 提供 max526 所必须的外接电压参考。
2 .2 频率和占空比的数控调节原理
max038 的输出频率主要受振荡器电容 cf、 iin 端电流 iin 和 fadj 端电压 vfadj 控制。选择一个 cf 值, 对应iin 端电流变化, 将产生一定范围的输出频率。另外, 改变 fadj 端的电压, 可以在 iin 控制的基础上, 对输出频率实现微调控制。 可通过电压输出型的 dac max526 实现输出频率的数控调节。max038 的 iin 端和 fadj 端分别连接到 max526 的 vouta 和 voutb 两个输出端上。通过 v b 产生 0v( 00h) 到2.5v( 0ffh) 的输出电压, 再经电压/电流转换网络, 在 iin 端产生 0μ a 到 750μ a 的工作电流, 使之产生相应的频率范围。voutb 将此工作电流范围分为 256 级步进间隔, 输出频率范围也被分为 256级步进间隔。所以, iin 端电流实现了对输出频率的粗调。vouta 在 fadj 端产生一个从- 2.4v( 00h) 到+2.4v( 0ffh) 的电压范围, 该范围同样也包含 256 级步进间隔, 将 iin 端的步进间隔再次细分为 256 级步进间隔,从而在粗调的基础上实现微调。各频段的频率范围划分为 65 536 级间隔。 max526 的 voutc 在 dadj 端产生一个从- 2.3v( 00h) 到+2.3v( 0ffh) 的 电压 调节范 围, 对 占空比实现数字控制, 该范围包含 256 级步进间隔。voutc的每一级步进对应着 δ v=[2.3- ( - 2.3) ]/256=17.9mv 和v%=( 90%- 10%) /256=0.3125。调节占空比时应尽量避免输出频率发生变化。仅当 δ =15%~85%且 25μ a<iin<250μ a 时, 对频率影响小。数控波形发生器频率和占空比调节电路的原理图如图 3 所示。
2 .3 输出幅值的数控调节
max038 的输出信号本身在输出级有内部的输出放大器, 具有很强的驱动能力, 且输出阻抗小于 0.1ω, 但是, 由于其输出波形的幅度为 2vp- p, 若要调节它的输出幅度, 特别是当输出频率较高、 输出波形不是正弦波时,要进行幅度放大相当困难。所以, 要为 max038 的 3 种10hz~10mhz 输出波形配置一种通用的全带宽后级输出放大器。放大以后的输出信号送入数字衰减器 at- 280进行衰减。at- 280 是一种采用 soic- 16 塑封表贴封装形式的 5 位、 0.5b 步距的数字衰减器, 非常适用于高精度衰减、 快速开关、 极低功耗要求的场合, 其可靠性非常高。vc1、 vc10、 vc2、 vc20、 vc3、 vc30、 vc40、 vc50 分别为 数 据 控 制 端 ; rf1 和 rf2 分 别 为 信 号 输 入 输 出 端 。at- 280 的真值表如表 2 所示。
3 数控函数发生器频率与幅值的 lcd 显示及频段选择
液晶显示模块 lcm 是一种将液晶显示器件、连接件、 集成电路、 背光源等装配在一起的组件。 在单片机系统中使用液晶模块作为输出器件具有显示质量高、 数字式接口、 体积小、 重量轻、 功率消耗小等优点, 非常适合于嵌入式系统、 移动设备和掌上设备的使用。点阵图形液晶模块不仅可以显示字符、 汉字, 还可以显示连续、 完整的图形。
3.1 内置 sed1520 的 mgls- 12032 图形液晶模块的应用在 gps 定位信息采集与显示系统中, 使用型号为mgls - 12032 的点阵图形液晶模块, 内置 sed152f0a 控制驱动器, 集行、 列驱动器和控制器于一体, 广泛应用于小规模液晶显示模块。液晶模块 mgls- 12032 的点阵数120× 32, 而 一 个 sed152f0a 显 示 控 制 器 内 置 80× 32( 2560 位) 显示 ram 区, ram 中的一位数据控制液晶屏上一个像素的亮、 暗状态: “ 1” 表示亮, “ 0” 表示暗。显示ram 被分成 4 页, 每页 8 行有 80 字节, 每页的数据寄存器分别对应液晶屏幕上的 8 行点。mgls- 12032a 液晶模块由两片 sed1520f0a 驱动, 两个 sed152f0a 都只用了其中的 60 个列驱动口, 分别驱动液晶显示器的左、右 半 屏 。 当 设 置 了 页 地 址 和 列 地 址 后 就 确 定 了 显 示ram 中的单元, 该单元由低到高的各个数据位对应于显示屏上某一列的 8 行数据位, 即每一页中屏幕上的每一列对应一个显示 ram 的 1 字 节内容 。对显 示ram 的一个字节单元赋值就是对当前列的 8 行像素点( 一页) 是否显示进行控制。
3 .2 液晶模块与单片机的接口方式
sed1520 液晶显示控制驱动器可以直接与 89c52 单片机相连, 不必使用其他的接口芯片, 因此选择存储器映像方式的接口, 将液晶模块当作存储器的一部分, 直接使用存储器读写进行 i /o 操作。在单片机的控制下,按照要求的格式显示频率和幅值。由于 lcd 没有独立的片选信号, 所以使用单片机的读写信号进行选通。单片机的读写信号rd 、 wr 通过 74ls00、 74ls04 转换后作为对 lcd 的片选信号, 分别接 lcm 的两个控制器芯片sed1520 的使能端 e1、 e2, 高电平允许使用, 低电平禁用。液晶模块的数据总线 db0~db7 与单片机的数据总线 d0 ~d7 ( p0 口) 直接相连, 液晶模块的控制引脚, 即lcd 的数据/指令选择端 a0 与 138 译码器的地址线y3相连, 高电平选择数据通道, 低电平选择指令通道。lcd的读/写控制端 r/w 接y4 , 高电平读, 低电平写。v0 为lcd 提供对比度调节负电压, 这样对液晶模块的各种指令操作, 实际上就是与相应的控制地址交换数据。要在液 晶 模 块 上 显 示 一 个 字 符 或 汉 字 , 应 分 别 向 两 个sed1520 控制器写指令代码、 写显示数据、 读显示数据。访 问 sed1520 前 , 首 先 读 取 控 制 器 当 前 的 状 态 , 当sed1520 处于忙的状态时, 除了读状态字指令外, 其他指令均不起作用。
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2 .1 4 路 12 位电压输出型 d/a 转换器 max526 的应用max526 是 4 路 12 位电压输出型 d/a 转换器, 模拟量电压输出为: vout=( vref× dn ) /4096。8 位数据总线, 数据通过两次写操作( 低 8 位 lsb, 高 4 位 msb) 装入各输入寄存器, 并通过异步装载 dac 输入信号将输入寄存器数据装入 dac 寄存器。max526 转换时间为 3μ s , 与ttl/cmos 电平兼容, 只有 1lsb 不可校正线性误差的优点, 使其广泛地应用在数字增益校正、 工业控制、 自动测试设备等方面。
max526 的 vouta、voutb、 voutc、 voutd 是 4 通道模拟量输出引脚; 控制信号 csmsb、 cslsb 为高低字节位选择, 当 cslsb 为 0 时低 8 位数据输出, csmsb 为 0 时高4 位数据输出。控制信号 ldac 为 0 时将各自输入寄存器的内容转换到其各自独立的 dac 寄存器。控制信号a0、 a1 为 通 道 选 择 信 号 ; 数 据 线 d0 ~d7, d8 ~d11 与d0~d3 复用; wr 为写控制信号; 基准电源信号 refab是 a、 b 模拟量基准输入, refcd 是 c、 d 模拟量基准输入。max526 通过 a0、 a1 选择 dac 以便区分访问的是哪个通道, 通过 csmsb、 cslsb、 wr 这 3 个信号区分将转换数据装入到 a0、 a1 已选择的各个输入寄存器的内容, 并区分写入的数据是高 4 位还是低 8 位。max526编程设计时通过 ldac 控制各个通道 dac 寄存器的转换实现。在接口电路中, 将 ldac 与单片机的 p17 相连,以便查询其工作状态。另外, max6325 是一个电压基准信号源, 提供 max526 所必须的外接电压参考。
2 .2 频率和占空比的数控调节原理
max038 的输出频率主要受振荡器电容 cf、 iin 端电流 iin 和 fadj 端电压 vfadj 控制。选择一个 cf 值, 对应iin 端电流变化, 将产生一定范围的输出频率。另外, 改变 fadj 端的电压, 可以在 iin 控制的基础上, 对输出频率实现微调控制。 可通过电压输出型的 dac max526 实现输出频率的数控调节。max038 的 iin 端和 fadj 端分别连接到 max526 的 vouta 和 voutb 两个输出端上。通过 v b 产生 0v( 00h) 到2.5v( 0ffh) 的输出电压, 再经电压/电流转换网络, 在 iin 端产生 0μ a 到 750μ a 的工作电流, 使之产生相应的频率范围。voutb 将此工作电流范围分为 256 级步进间隔, 输出频率范围也被分为 256级步进间隔。所以, iin 端电流实现了对输出频率的粗调。vouta 在 fadj 端产生一个从- 2.4v( 00h) 到+2.4v( 0ffh) 的电压范围, 该范围同样也包含 256 级步进间隔, 将 iin 端的步进间隔再次细分为 256 级步进间隔,从而在粗调的基础上实现微调。各频段的频率范围划分为 65 536 级间隔。 max526 的 voutc 在 dadj 端产生一个从- 2.3v( 00h) 到+2.3v( 0ffh) 的 电压 调节范 围, 对 占空比实现数字控制, 该范围包含 256 级步进间隔。voutc的每一级步进对应着 δ v=[2.3- ( - 2.3) ]/256=17.9mv 和v%=( 90%- 10%) /256=0.3125。调节占空比时应尽量避免输出频率发生变化。仅当 δ =15%~85%且 25μ a<iin<250μ a 时, 对频率影响小。数控波形发生器频率和占空比调节电路的原理图如图 3 所示。
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3 数控函数发生器频率与幅值的 lcd 显示及频段选择
液晶显示模块 lcm 是一种将液晶显示器件、连接件、 集成电路、 背光源等装配在一起的组件。 在单片机系统中使用液晶模块作为输出器件具有显示质量高、 数字式接口、 体积小、 重量轻、 功率消耗小等优点, 非常适合于嵌入式系统、 移动设备和掌上设备的使用。点阵图形液晶模块不仅可以显示字符、 汉字, 还可以显示连续、 完整的图形。
3.1 内置 sed1520 的 mgls- 12032 图形液晶模块的应用在 gps 定位信息采集与显示系统中, 使用型号为mgls - 12032 的点阵图形液晶模块, 内置 sed152f0a 控制驱动器, 集行、 列驱动器和控制器于一体, 广泛应用于小规模液晶显示模块。液晶模块 mgls- 12032 的点阵数120× 32, 而 一 个 sed152f0a 显 示 控 制 器 内 置 80× 32( 2560 位) 显示 ram 区, ram 中的一位数据控制液晶屏上一个像素的亮、 暗状态: “ 1” 表示亮, “ 0” 表示暗。显示ram 被分成 4 页, 每页 8 行有 80 字节, 每页的数据寄存器分别对应液晶屏幕上的 8 行点。mgls- 12032a 液晶模块由两片 sed1520f0a 驱动, 两个 sed152f0a 都只用了其中的 60 个列驱动口, 分别驱动液晶显示器的左、右 半 屏 。 当 设 置 了 页 地 址 和 列 地 址 后 就 确 定 了 显 示ram 中的单元, 该单元由低到高的各个数据位对应于显示屏上某一列的 8 行数据位, 即每一页中屏幕上的每一列对应一个显示 ram 的 1 字 节内容 。对显 示ram 的一个字节单元赋值就是对当前列的 8 行像素点( 一页) 是否显示进行控制。
3 .2 液晶模块与单片机的接口方式
sed1520 液晶显示控制驱动器可以直接与 89c52 单片机相连, 不必使用其他的接口芯片, 因此选择存储器映像方式的接口, 将液晶模块当作存储器的一部分, 直接使用存储器读写进行 i /o 操作。在单片机的控制下,按照要求的格式显示频率和幅值。由于 lcd 没有独立的片选信号, 所以使用单片机的读写信号进行选通。单片机的读写信号rd 、 wr 通过 74ls00、 74ls04 转换后作为对 lcd 的片选信号, 分别接 lcm 的两个控制器芯片sed1520 的使能端 e1、 e2, 高电平允许使用, 低电平禁用。液晶模块的数据总线 db0~db7 与单片机的数据总线 d0 ~d7 ( p0 口) 直接相连, 液晶模块的控制引脚, 即lcd 的数据/指令选择端 a0 与 138 译码器的地址线y3相连, 高电平选择数据通道, 低电平选择指令通道。lcd的读/写控制端 r/w 接y4 , 高电平读, 低电平写。v0 为lcd 提供对比度调节负电压, 这样对液晶模块的各种指令操作, 实际上就是与相应的控制地址交换数据。要在液 晶 模 块 上 显 示 一 个 字 符 或 汉 字 , 应 分 别 向 两 个sed1520 控制器写指令代码、 写显示数据、 读显示数据。访 问 sed1520 前 , 首 先 读 取 控 制 器 当 前 的 状 态 , 当sed1520 处于忙的状态时, 除了读状态字指令外, 其他指令均不起作用。
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